IEC61850 变电站与IEC61970主站无缝连接的研究与实现

     摘要 随着越来越多基于IEC 61850标准的数字化变电站投入运行，传统的规约已不适合数字化变电站的接入。通过对IEC 61850、IEC 61970标准的深入分析，研究了变电站与调度中心之间采用扩展的IEC 61850协议进行电力远动信息实时传输的可行性，同时提出了SCL模型转换CIM模型的方法以及适用于两者之间图形交换的SVG规范。

　　1 引言

　　随着计算机技术、通信技术和电力电子技术的不断进步，电力系统对信息共享和应用集成的需求越发迫切。为此，国际电工技术委员会（IEC）的第57技术委员会（IEC TC57）制定了一系列标准，包括用于调度中心EMS（Energy Management System）的IEC 61970 标准和用于变电站SAS （SubstationAutomation System）的IEC 61850 标准。通过建立标准的、开放的电力系统信息模型，促进各应用间的互操作，降低生产和维护成本，提高系统可靠性。

　　目前，IEC 61850 标准只应用于变电站内的智能电子设备，变电站与调度中心之间的通讯仍然采用传统的IEC60870-5-101 或IEC60870-5-104 规约，这就需要远动工作站进行协议转换。并且由于传统规约不支持面向对象的建模方法，必须将IEC 61850的对象转换为若干个信息点，导致需要极其复杂的转发信息配置工作，极大的增加了组态和调试的工作量，而且容易出错。此外，对于无法转换的信息，只能简单丢弃。

　　本文介绍了如何解决IEC 61850 与IEC 61970 信息交互所要涉及到的通信、模型以及图形问题。调度系统采用基于IEC 61850 的扩展通信协议与变电站进行通信，这样就不需要经过协议转换，而且互操作性更好，可以减少调试、维护的工作。另外，调度系统可以直接访问IEC 61850 对象模型，转换为IEC61970 模型，并自动导入生成数据库表，减少向EMS中新增厂站所需要的时间和工作。变电站与调度系统之间采用SVG 格式来交换单线图文件，在变电站端完成调试绘图工作后，可方便地用于调度系统。

　　2 扩展的IEC 61850 通信协议

　　IEC 61850采用面向对象方法和统一建模语言，通过所定义的逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性与公共数据类等来描述变电站及设备的信息，并为其建立基于对象的数据模型，同时借助于基于可扩展标记语言XML的变电站配置描述语言（Substation Configuration Description Language，SCL）使模型的自描述成为了可能。另外使用特殊通信服务映射（ specific communication servicemapping，SCSM）与抽象通信服务接口（abstractcommunication service interface，ACSI）可以方便地适应底层通信技术的发展。

　　以上所有的这些特性都是传统远动规约所不具备的。因此IEC 61850不应仅仅局限于变电站内部，还应向远动系统扩展，以实现整个系统的无缝连接。

　　终过程层到间隔层、间隔层到站控层采用标准的IEC 61850通信协议，从变电站到调度中心采用基于IEC 61850标准的扩展IEC 61850通信协议，变电站与调度中心之间经由通信网关进行通信，只需增加少量服务即可，从而可省去变电站与调度中心之间数据交换所需的规约转换。鉴于以上考虑，本研究提出了如图1所示的基于IEC 61850的远动系统网络结构。

图1 系统的网络结构。

　　从系统网络和控制中心的角度来看，扩展的IEC 61850协议应增加调度中心这个层次。

　　从ASCI抽象通信服务接口考虑，协议需要增加一个Substation（变电站）类模型，该类具有如下结构：

　　属性Server标识在整个变电站中由通信网关所代理的全部IED装置。属性File标识通信网关包含的文件，属性TPAppAssociation 标识客户，它和通信网关维持双边应用关联。

　　客户使用GetSubstationDirectory服务检索通信网关所代理的全部IED名或FILE名。为了支持全站的自我描述，整个扩展标准规定了GetXXDirectory和GetXXDefinition服务如图2所示。

图2 目录和属性定义服务概述。

　　客户使用这些服务检索变电站中全部类的全部实例和整个分层的定义。

　　相应的，其他的ACSI抽象服务接口需要在请求以及响应结果的ObjectReference（对象引用）中增加所属IED这一层次，例如在DATA类中DataRef （数据ObjectReference）以前是LDName/LNName.DataName[.DataName[. ...]]，现在扩展为IEDName: LDName/LNName.DataName[.DataName[. ...]]。

　　扩展的IEC 61850标准在在线读取变电站信息时是必须实现的，在离线通过变电站SCD配置文件获取变电站信息的情况下，考虑到目前的ObjectReference（对象引用）中LDName中已经包含IEDName和LDinst名，根据LDName即可区分出所属IED装置，即现有的IEC61850标准无须改动就可使用，只需要在网关机和前置机中通过程序处理即可。

　　3 IEC61850 模型转换为IEC61970 模型

　　本文主要研究了IEC 61850 SCL模型转换到IEC61970 CIM模型的方法。主要涉及到设备的转换、设备连接模型的转换、量测模型转换以及保护相关模型的转换。生成的CIM模型再由EMS系统工具导入参数库表中。

　　对于变电站提供的SCD文件，在设备及保护装置的命名上应该采用与主站系统一致的URI（统一资源标识）命名规则。

　　3.1 设备及连接模型的转换

　　对于Substation、 VoltageLevel、 Bay、PowerTransformer、TransformerWinding的描述两个标准是一致的，SCL模型中的ConductingEquipment需要根据其设备类型转换为CIM模型中导电设备Conducting-Equipment的子类Breaker、Disconnector、Compensator、EnergyComsumer、SynchronusMachine等。

　　对于IEC 61850中CON、FAN、PSH、BAT、BSH、RRC、TCR等SCL中的类型，没有合适的CIM类与之对应。可以直接转换成ConductingEquipment对象，同时在关联的PSRType对象中标识出该对象的类型。

　　在IEC 61850中母线没有单独建模，是一种特殊的间隔，可称为母线间隔，在此间隔中没有导电设备，只有连接点的定义，可以从这种特殊的母线间隔来生成母线的CIM模型。

　　IEC 61850 SCL模型中给出的设备容器(变电站、电压等级区、间隔)及设备类型可以构成比较完备的变电站内对象层级关系， 结合通过连接点（ConnectivityNode）和导电设备端点可生成IEC61970的全站拓扑连接模型。

　　3.2 量测模型的转换

　　这里用到IEC 61850的数据集模型，以DATASET中的FCDA来映射到CIM模型中的Measurement类。首先规定了SCD文件中上送数据集的命名规则，例如遥测数据集以DsAin开头，遥信以DsDin开头，保护量测以DsRelayAin开头等，这样做的好处是可以方便地找到需要转换的量测，象过程层与间隔层之间通信的数据集就可以直接忽略掉。根据FCDA中的DoName确定量测类型，量测描述在LN结构中查找，根据IED所处间隔与主设备来确定量测所关联的设备端子。

　　3.3 保护相关模型的转换

　　IEC 61850 中保护模型分解转换为CIM模型的保护装置模型、保护量测模型、保护定值模型。

　　需要IED厂家预先提供本装置型号表示的保护类型。保护类型大致分下面几类：

　　①母差保护；②变压器保护；③线路保护；④发变组保护；⑤断路器保护；⑥电抗器保护；⑦电容器保护；⑧故障录波器；⑨母联保护；⑩低频解列装置。

　　这些保护类型在CIM模型通过扩展一个自定义的<cimEx:ProtectionType> 类预先定义, 通过分析SCD文件中IED所处间隔和信息，可得到IED装置型号、描述、生产厂家、间隔、所保护设备，生成经过扩展的CIM模型中ProtectionEquipment类。

　　各厂家的保护装置定值出厂缺省值需要与保护装置信息一起提供，因为目前IEC 61850标准中在建模时还没有标准方法存放缺省的预置定值，这个一般是各个厂家内部实现。通过扩展CIM模型的Measurement类来对应SCL中的定值模型。

　　保护量测的处理类似普通量测，只是不再关联到设备端子，直接关联到所属保护装置。

　　4 SVG 图形格式规范

　　在电力系统中要涉及大量的接线图、潮流图等，往往在厂站端完成后，主站端又需要重复一遍。因此需要一种图形标准来避免重复的劳动和不同厂商图形格式之间的不兼容，可伸缩矢量图形（SVG，Scalable Vector Graphics）正好可以弥补这个不足。

　　变电站的SVG图形可以来自IEC 61850配置工具，也可由专用工具从私有图形转换导出。变电站的SVG图形文件需要提供给调度中心使用，所以需要有一定规则确保与主站转换得到CIM模型相一致。

　　SVG图形与CIM关联一般采用以下方式中的一种：

　　（1）Id关联。即通过SVG对象的Id属性与CIM对象关联来实现。这种方式因为变电站与主站同一电力设备的Id并不一定相同而无法采用。

　　（2）Metadata元数据关联。Metadata是一种描述数据的数据，主要用于描述数据资料的一些属性，用来标明数据资料的存储位置、查询方式等信息。

　　本规范采用提供<metadata>元数据来与CIM模型相关联。如下例所示一个接线图上的量测图元：

　　<g id="" >

　　<rect width="41" x="316" y="853"

　　stroke-opacity="0" fill="none" height="14"

　　StackOrder="2" stroke="rgb(0,170,0)"

　　stroke-width="1" />

　　<text x="337" y="867" fill="rgb(0,170,0)"

　　font-family="STZhongsong" text-anchor="middle"

　　StackOrder="4002638" stroke="rgb(0,170,0)"

　　font-size="8" writing-mode="lr" >dddd.dd</text>

　　<metadata>

　　<cge:Meas_Ref

　　bjectID="\PL106\PROT/YCMMXU1$MX$A$phsA

　　$cVal$mag$f" bjectName="10kV备用D057保护

　　_Ia" />

　　</metadata>

　　</g>

　　其他SVG图形对象均类似处理，ObjectID采用“ 电压等级\间隔\对象名” 或“IED装置\引用名”表示层级关系。由于<metadata>元素支持任何XML兼容的Metadata语法，可以通过指定命名空间，采用需要的格式对SVG图形对象进行描述，比仅用图形对象Id关联的方法更为灵活。

　　5 结论

　　IEC61850/61970系列标准为企业信息一体化提供了强大的技术基础，也必将对今后电力系统信息技术的发展产生深远的影响。采用本文描述的扩展IEC 61850通信协议、SCL与CIM模型转换方法以及SVG交换图形文件规范，研发了IEC 61970 EMS与IEC 61850变电站信息交互系统，该系统在绍兴电力局调度中心备用EMS与110KV大侣变之间实现了实时数据、模型转换以及图形文件的交换。验证了IEC61850数字化变电站无缝接入IEC 61970主站的可行性，对今后的系统设计有较大的参考价值。